专利名称：一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢及其制造方法
技术领域：
本发明涉及核聚变堆用马氏体型耐热钢，尤其涉及一种用于核聚变堆的大吨级高Ta低活化马氏体结构钢材料及其制造。
背景技术：
核聚变能是一种几乎用之不竭的永久性“安全”和“清洁”能源，是世界能源的未来，核聚变堆包层特别是氚增殖包层技术是聚变堆最终走向商业应用必须发展的核心科学技术问题之一。其中聚变堆包层是聚变能实现应用的核心关键技术之一，对聚变能商用化的成败起着决定作用，其主要功能是实现能量转换、氚增殖及包容等离子体等。核聚变堆的辐照环境比核裂变的辐照环境更为苛刻，高通量的聚变中子对材料更是一个巨大的挑战，特别是对聚变堆包层结构材料的挑战，该问题成为聚变堆实现最终商业应用的“瓶颈”问题之一，是目前世界上核聚变研究的一个主要领域。核聚变堆包层结构材料需要具有较低的辐照肿胀和热膨胀系数、较高的热导率等优良的热物理、机械性能，因此目前普遍认为低活化的马氏体型耐热钢(RAFM钢)是聚变堆的首选结构材料。世界各国均在发展和研究各自的RAFM钢，如日本的F82H和JLF21，欧洲的EUR0F-ER97以及美国的9Cr22WVTa等，各材料成分如表I所示。作为核聚变堆结构材料，除考量常规的拉伸性能、冲击性能、断裂韧性、蠕变性能、疲劳性能等材料特性外，还需考虑辐照对机械性能的影响，主要是辐照脆化、辐照肿胀等特性的影响。辐照脆化特性一般用韧-脆转变温度(DBTT)的变化来表示，许多试验都表明:RAFM钢的DBTT变化与Cr、W、V、Ta、Mo、Nb和Ni等元素含量有关；辐照肿胀主要是由材料中(n，a)和(n，P)核反应生成的He、H和辐照缺陷积聚引起的，由于目前聚变仍处于研究阶段以及缺乏适当的聚变中子源，一般采用快中子堆、高注量率中子堆、加速器高加速器高能离子等辐照模拟方法和其他小型聚变中子源等手段进行探索和研究，其影响机理尚不太清楚。目前，中国中科院等离子体物理研究所在与国内外10余家单位合作下，开展了中国低活化马氏体CLAM (China Low Activation Martensitic)钢的设计与研发工作。到目前为止，该CLAM钢进行了 20余炉次的真空感应熔炼，开展了纯净化冶炼工艺探索，已经发展到数百公斤级的冶炼水平，主要设计成分含量基本达到了稳定可控水平，而且制造出了各种型材，但是冶炼公斤级别较低。国外，日本的F82H和欧洲的EUR0F-ER97进行了吨级以上的熔炼，纯净化冶炼接近了低活化水平要求，并进行了较为全面的性能测试、加工技术研究以及辐照实验研究，但都未进行核聚变堆用高Ta低活化结构钢的大吨级工业化试制研究工作。随着热核聚变技术的研究进展，核聚变试验包层模块(TBM)和试验堆的建设势在必行，迫切需求大吨级工业化的高Ta核聚变堆包层结构材料。表1.几种典型的RAFM钢及其化学成分(单位:wt% )
权利要求
1.一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢，其化学成分重量百分含量为:C0.06-0.14%, Mn0.20-0.80%, Si ( 0.20%, S 彡 0.010%, P 彡 0.010%, Ni ( 0.20%,Cr8.00-10.0%,ffl.10-1.90%,V0.10-0.30%,Ta0.10-0.20%,Cu ^ 0.10%,Co ^ 0.01 %,Mo ^ 0.01 %, Nb ^ 0.01 %, Al ^ 0.03 %, B ^ 0.001 %, Ag ^ 0.001 %, Sn ^ 0.01 %,As ^ 0.01 %, Sb ^ 0.01 %, N ^ 0.02 %, 0 ^ 0.005 %,其余为Fe和不可避免的杂质；所述核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢的室温力学性能为:Rm彡1300MPa，Rp0.2彡950MPa，A 彡 14%, Z 彡 50%, Akv 彡 15J。
2.如权利要求1所述的核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢，其特征在于，所述的大吨级可闻达4.5吨的级别。
3.如权利要求1或2所述的核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢的制造方法，包括如下步骤: (1)真空感应冶炼 先采用工业纯铁多次清洗由耐火砖砌成的真空感应炉炉肌，再按照上述核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢的成分配比，在已洗炉后的真空感应炉中加入铁，抽真空至20 μ以下时通电熔化铁，待铁熔清后依次加入除钽外的其他元素，然后在真空度< 5 μ且电磁搅拌条件下在20-40分钟内分3-6次加入金属钽，精炼15-30分钟并调整合金成分达到配比要求； (2)真空自牦冶炼 将真空感应冶炼获得的钢液浇铸成两根等重的电极棒，然后进行退火、表面精整处理，精整后的电极棒与辅助电极焊接后在真空条件下进行自牦重熔精炼获得自牦钢锭；所获自牦钢锭依次经退火、表面精整后，获得精整钢锭；其中，真空条件为真空计的设定值为OTorr，自牦重熔精炼的工作电压为24-28V，电流4000-7000Α ； (3)锻造成材 将步骤(2)获得的精整钢锭在1140°C _1180°C下进行锻造加工，获得核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢棒材； 或者，将步骤(2)获得的精整钢锭在1140°C -1180°C下保温3-5小时，锻造开坯，然后在1130°C -1170°C下保温1.0-3.0小时，热轧成板材，获得核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢板材。
4.如权利要求3所述的核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢的制造方法，其特征在于，步骤(I)中，所述依次加入除钽外的其他元素的方法为:依次加入除钽外的金属铬、金属钨、钒铁、碳及其他元素。
5.如权利要求3所述的核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，自牦钢锭退火的温度为670-690°C。
6.如权利要求3所述的核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢的制造方法，其特征在于，步骤(2)中，精整后的电极棒焊接的方式为:将精整后的电极棒的尾部与辅助电极焊接起来。
7.如权利要求3-6任一所述的核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢的制造方法，其特征在于，获得的成品棒材和成品板材，其室温力学性能为:Rm彡1300MPa,Rp0.2 彡 950MPa, A ^ 14%, Z ^ 50%, Akv ^ 15J。
全文摘要
本发明提供了一种核聚变堆用大吨级高Ta低活化马氏体钢，其化学成分具有高Ta含量。本发明通过选用优质的合金原料、采用砖制真空感应炉炉胆以控制Al、B等残余元素、采用真空感应冶炼和高真空(≤5μ)且电磁搅拌下在一定时间内分次加入Ta的方法控制Ta等成分的均匀性、在极低的真空条件(设定值为0Torr)下采用自耗重熔精炼工艺来控制其中气体和杂质元素的含量，最终获得核聚变堆用大吨级(4.5吨)超纯净高Ta低活化马氏体钢，自耗钢锭退火后加工成材取样测试其室温力学性能为Rm≥1300MPa，Rp0.2≥950MPa，A≥14％，Z≥50％，Akv≥15J，实现了CLAM钢的工业化制造。
文档编号C22C38/48GK103160745SQ201310058779
公开日2013年6月19日 申请日期2013年2月25日 优先权日2013年2月25日
发明者张甫飞, 陈志强, 吴江枫, 陆青林, 杨桦, 杨庆 申请人:宝钢特种材料有限公司